The Role of Flagella and Bacterial Motility in Virulence of Salmonella

Horstmann, Julia Andrea

Flagella are sophisticated nanomachines and important virulence factors of many pathogenic bacteria. Besides the ability to swim through liquid environments, the flagellum also contributes to successful infection of the host cell by enhancing cell adhesion and invasion. The flagellum consists out of three main parts: (i) the basal body, (ii) a flexible hook, and (iii) a long helical filament. Due to its purposes in distinct infection phases, flagellar gene expression, assembly, and functionality has to be regulated tightly in response to environmental cues. In this thesis, new motility regulators have been identified and mechanisms of flagella modification have been characterised according to their contribution to motility and pathogenesis of Salmonella. In the first chapter, five genes (rflP, yjcC, STM1267, STM3363, and rfaG) have been shown to influence swimming and/or swarming motility via alterations of flagellar gene expression or assembly. In the second chapter, a recently described transcriptional activator of flagellar gene expression, HilD, was characterised regarding its contribution to bacterial motility. HilD overexpression resulted in non-motile bacteria independently of flagellar assembly. It is likely that metabolic changes through collapse of the proton-motive force led to the described motility defect. Further, HilD was shown to activate expression of numerous fimbrial structures, such as Pef, Saf, or curli fimbriae. In the third chapter, alternate expression of the two antigenically distinct flagellins, FliC and FljB, was investigated regarding its importance for Salmonella physiology. FliC flagellin variants facilitated target-site selection and Spi-1 injectisome-dependent invasion during swimming on epithelial host cell surfaces. FljB-expressing bacteria were outcompeted by FliC-expressing bacteria during eukaryotic cell invasion and colonisation in the gastroenteritis mouse model. The fourth chapter focused on the posttranslational modification of the filament by the methylase FliB. FliB methylated lysine residues of the surface-exposed D2 and D3 domains of both flagellins, FliC and FljB. Moreover, flagellin methylation affected epithelial cell adhesion and invasion in a mannose-dependent manner. Consequently, strains deficient in flagellin methylation were outcompeted during dissemination in the gastroenteritis mouse model.

Flagellen sind komplexe Nanomaschinen und wichtige Virulenzfaktoren für viele pathogene Bakterien. Neben gerichteter Fortbewegung in flüssigen Medien trägt das Flagellum durch erhöhte Adhäsion und Invasion von eukaryotischen Zellen maßgeblich zur effektiven Infektion der Wirtszelle bei. Das Flagellum besteht aus drei Hauptkomponenten: (i) dem Basalkörper, (ii) einem flexiblen Haken und (iii) einem langen helikalen Filament. Durch unterschiedliche Aufgaben während des Infektionszyklus ist eine strenge Regulierung der Genexpression, Assemblierung und Funktionalität des Flagellums als Antwort auf veränderte Umweltbedingungen von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden neue Motilitätsregulatoren und deren Mechanismen der Flagellenmodifikation in Hinsicht auf Motilität und Pathogenität von Salmonella identifiziert und näher charakterisiert. Im ersten Kapitel wurden fünf Gene (rflP, yjcC, STM1267, STM3363 und rfaG) ermittelt, die das Schwimm- und Schwärmverhalten durch Änderung der flagellaren Genexpression oder des Flagellenaufbaus beeinträchtigt haben. Im zweiten Kapitel wurde ein zuvor beschriebener Transkriptionsaktivator der flagellaren Genexpression, HilD, bezüglich dessen Auswirkung auf Motilität charakterisiert. HilD-Induktion führte zu einem Verlust an Motilität unabhängig von der flagellaren Assemblierung. Die Ergebnisse weisen auf einen Mechanismus durch einen veränderten Metabolismus und einer Kollabierung der protonenmotorischen Kraft hin. Weiterhin resultierte die Überexpression von HilD in einer erhöhten Expression verschiedener Fimbrien (Pef, Saf oder Curli Fimbrien). Im dritten Kapitel wurde die Expression unterschiedlicher Flagelline, FliC und FljB, bezüglich der biologischen Relevanz in Salmonella analysiert. FliC-flagellierte Bakterien ermöglichten die Auswahl geeigneter Infektionsstellen und somit auch die Spi-1-abhängige Invasion während des Schwimmens nahe der Wirtszelloberfläche. Desweiteren hatten FliC-exprimierende Bakterien einen Vorteil während der Kolonisierung im Gastroenteritis-Mausmodell. Das vierte Kapitel fokusierte sich auf die posttranslationale Modikation des Filaments durch die Methylase FliB. FliB methylierte Lysinreste der exponierten D2 und D3 Domänen sowohl von FliC als auch von FljB. Die Methylierung des Flagellins trug außerdem zur Mannose-abhängigen Adhäsion und Invasion von Epithelzellen bei. Bakterien ohne methyliertes Flagellin waren demnach stark hinsichtlich der Kolonisierung im Gastroenteritis Mausmodell benachteiligt.

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Horstmann, Julia: The Role of Flagella and Bacterial Motility in Virulence of Salmonella. 2017.

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